Entwurf, Analyse und Regelung einer kinematisch redundanten Roboterstruktur mit hydraulischen Antrieben variabler Nachgiebigkeit

Am Anfang dieser Arbeit wird der Entwurf eines oktaederförmigen und hydraulisch aktuierten Robotermoduls mit drei kinematischen Freiheitsgraden vorgestellt. Zu den Besonderheiten des Entwurfs zählen zum einen die im Hinblick auf eine Arbeitsraumvergrößerung und Materialentlastung des Moduls optimierten sphärischen Gelenke und zum anderen die strukturinterne Energieversorgung der hydraulischen Antriebe. Auf Basis des vorgestellten Modulentwurfs können hochbewegliche und kinematisch (hyper-)redundante Leichtbauroboter aufgebaut werden. Allgemeingültige Lösungsmethoden für die Direkte und Inverse Kinematik, Statik und Dynamik werden entwickelt. Mit der dadurch ermöglichten Berechnung des Arbeitsraumes, des Nutzlast-Eigenmasse- und Steifigkeits-Eigenmasse-Verhältnisses sowie der dynamischen Grenzwerte wird die Leistungsfähigkeit des Entwurfs exemplarisch anhand eines doppelmoduligen Roboters nachgewiesen. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Entwicklung eines Regelungskonzepts, mit dem der Endeffektor eines n-moduligen Roboters entlang einer Arbeitsraumtrajektorie geführt werden kann. In dem Konzept werden die statischen und dynamischen Grenzwerte und Nichtlinearitäten der Antriebe sowie der Roboterkinematik berücksichtigt. Die Funktionsfähigkeit und Güte des vorgeschlagenen Regelungskonzeptes wird experimentell an einem Einzelantrieb und simulatorisch am Beispiel eines fünfmoduligen Roboters aufgezeigt. In einem weiteren Schritt wird die Auswirkung der Kollision des Roboters mit dem menschlichen Kopf analysiert. Um die Kollisionskraft und somit das Gefahrenpotenzial des Roboters zu reduzieren, werden geeignete Steuerungsmethoden zur Redundanzauflösung und Entwurfsmodifikationen, die eine mechanische Entkopplung der einzelnen Modulmassen durch nachgiebige Strukturelemente vorsehen, untersucht. Zur Implementierung der Massenentkoppelung werden die hydraulischen Antriebe des Roboters zu hydropneumatischen Antrieben variabler Nachgiebigkeit und Dämpfung erweitert und mit einem speziellen Ventilkonzept ausgestattet, um die Energieeffizienz der Antriebe und somit des Roboters zu erhöhen. Abschließend werden mit simulatorischen und experimentellen Untersuchungen die Vorteile des hydropneumatischen Antriebs im Hinblick auf Energieeffizienz und reduzierter Kontaktkraft aufgezeigt.